Rankine–Hugoniot equation

Rankine–Hugoniot equation

The Rankine–Hugoniot equation governs the behaviour of shock waves normal to the oncoming flow. It is named after physicists William John Macquorn Rankine and Pierre Henri Hugoniot, French engineer, 1851-1887.

The idea is to consider one-dimensional, steady flow of a fluid subject to the Euler equations and require that mass, momentum, and energy are conserved. This gives three equations from which the two speeds, u_1 and u_2, are eliminated.

It is usual to denote upstream conditions with subscript "1" and downstream conditions with subscript "2". Here, ho is density, u speed, p pressure. The symbol e means internal energy per unit mass; thus if ideal gases are considered, the equation of state is p= ho(gamma-1)e.

The following equations

: ho_1u_1= ho_2u_2,:p_1+ ho_1u_1^2=p_2+ ho_2u_2^2:e_1+frac{p_1}{ ho_1}+frac{1}{2}u_{1}^2=e_2+frac{p_2}{ ho_2}+frac{1}{2}u_{2}^2

are equivalent to the conservation of mass, momentum, and energy respectively. Note the three components to the energy flux: mechanical work, internal energy, and kinetic energy.Sometimes, these three conditions are referred to as the Rankine–Hugoniot conditions.

Eliminating the speeds gives the following relationship::2left(h_2-h_1 ight)=left(p_2-p_1 ight)cdotleft(frac{1}{ ho_1}+frac{1}{ ho_2} ight)where h=frac{p}{ ho} + e.Now if the ideal gas equation of state is used we get

:frac{p_1}{p_2}=frac{(gamma+1)-(gamma-1)frac{ ho_2}{ ho_1{(gamma+1)frac{ ho_2}{ ho_1}-(gamma-1)}

Thus, because the pressures are both positive, the density ratio is never greater than (gamma+1)/(gamma-1), or about 6 for air (in which gamma is about 1.4). As the strength of the shock increases, the downstream gas becomes hotter and hotter, but the density ratio ho_2/ ho_1 approaches a finite limit of 4 for a monatomic gas (gamma = 5/3) and 6 for a diatomic gas (gamma = 1.4).

References

* Rankine, W. J. M. , " [http://gallica.bnf.fr/scripts/get_page.exe?O=55965&E=328&N=11&CD=1&F=PDF On the thermodynamic theory of waves of finite longitudinal disturbances] ", Phil. Trans. Roy. Soc. London, 160, (1870), p. 277.
* Hugoniot, H., "Propagation des Mouvements dans les Corps et spécialement dans les Gaz Parfaits", Journal de 1’Ecole Polytechnique, 57, (1887), p. 3; 58, (1889), p. 1.
* Salas, M. D. " [http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060047586_2006228914.pdf The Curious Events Leading to the Theory of Shock Waves] " Invited lecture at the 17th Shock Interaction SymposiumRome, Italy 4-8 September 2006.

External links

* [http://web.ics.purdue.edu/~alexeenk/GDT/index.html Gas Dynamics Toolbox] Calculate normal shock wave parameters for mixtures of imperfect gases


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